Галоскоп ORGAN не нашел аксионов массой от 63 до 67 микроэлектронвольт

Австралийские физики отчитались о первой фазе работы эксперимента ORGAN, ищущего тяжелые аксионы с помощью галоскопа. Результат работы ученых исключает рождение аксионов в диапазоне от 63 до 67 микроэлектронвольт, ограничивая таким образом теорию когенеза аксионоподобных частиц, которая описывает один из вариантов темной материи. Исследование опубликовано в Science Advances.

Аксионы — это гипотетически бесспиновые частицы с малой массой, которые появились в физике в качестве решения сильной CP-проблемы, то есть нарушения комбинированной четности в квантовой хромодинамике. Низкая интенсивность взаимодействия аксионов с обычной материей, а также их возможная роль в эволюции ранней Вселенной делают из них хороших кандидатов на роль темной материи. Существуют также теории на основе аксионоподобных частиц, которые отличает более сильное взаимодействие аксионов со светом. Примером таких теорий стали модель когенеза или модели фотофильных и фотофобных частиц.

Несмотря на огромный интерес со стороны физиков, аксионы или аксионоподобные частицы так и не были обнаружены. Ученые проводят их поиск, как с помощью астрофизических наблюдений, так и с помощью экспериментов в лабораториях. Отрицательный результат, однако, полезен тем, что отсеивает часть теоретических моделей, которые предсказывают массы частиц в самом разнообразном диапазоне. Поэтому физики продолжают проектировать эксперименты, чтобы покрыть ими еще не исследованные значения.

Одним таких экспериментов стал проект ORGAN (Oscillating Resonant Group AxioN), базирующийся в Университете Западной Австралии. Установка ORGAN представляет собой охлажденный до низких температур резонатор, находящийся в магнитном поле, который называется галоскоп. Принцип работы галоскопов основан на обратном эффекте Примакова, который заключается в превращении аксиона в фотон под действием еще одного фотона. Магнитное поле в этом случае выступает в качестве источника этих дополнительных (виртуальных) фотонов, а резонатор призван усилить рождение реальных фотонов на определенных частотах. Частота рождаемого фотона, в свою очередь, определяется массой аксиона или аксионоподобной частицы. Меняя параметры резонатора, физики могут сканировать диапазон в поисках сигнала.

Резонатор в установке ORGAN представлял собой медный полый цилиндр с внутренним диаметром, равным 32 миллиметрам, и высотой, равной 80 миллиметрам. Внутри полости авторы размещали второй медный цилиндр диаметром 16 миллиметров. Внутренний цилиндр располагался несоосно с внешним, а также мог несоосно вращаться, меняя собственную частоту всего резонатора. Векторный сетевой анализатор (vector network analyzer) позволял измерять частотный отклик резонатора. Магнитное поле внутри резонатора было равно 11,5 тесл, а его температура была равна 5,2 кельвин.

План работы эксперимента ORGAN рассчитан на диапазон от 15 до 50 гигагерц, что соответствует массе аксионов 62 — 207 микроэлектронвольт, однако на первом этапе физики проверили область 15,28 — 16,23 гигагерц (63 — 67 микроэлектронвольт), соответствующую гипотезе когенеза. Правда, они просканировали только 74 процента задуманного диапазона из-за нескольких паразитных частотных полос, вызванных неидеальностью медных цилиндров. Однако в измеренном диапазоне ученые не увидели дополнительных фотонов, надежно исключив для соответствующих масс предсказания теории.

Аксионы считаются низкомассовым вариантом темной материи. Эксперимент ORGAN при этом искал тяжелые аксионы. Ранее же мы рассказывали, как физики, работающие с детектором ADMX, не нашли легкие аксионы с массами в диапазоне от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольт.

Марат Хамадеев